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被 C# 的 ThreadStatic 标记的静态变量，都存放在哪里了？

發布時間：2023/12/4 C# 41 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了被 C# 的 ThreadStatic 标记的静态变量，都存放在哪里了？小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

一：背景

1. 講故事

前幾天公號里有一位朋友留言說，你windbg玩的溜，能幫我分析下被 ThreadStatic 修飾的變量到底存放在哪里嗎？能不能幫我挖出來????????????，其實這個問題問的挺深的，玩高級語言的朋友相信很少有接觸到這個的，雖然很多朋友都知道這個特性怎么用，當然我也沒特別研究這個，既然要回答這個問題，我得研究研究回答之！為了更好的普適性，先從簡單的說起！

二：ThreadStatic 的用法

1. 普通的 static 變量

相信很多朋友在代碼中都使用過 static 變量，它的好處多多，比如說我經常會用 static 去做一個進程級緩存，從而提高程序的性能，當然你也可以作為一個非常好的一級緩存，如下代碼：

public?class?Test{public?static?Dictionary<int,?string>?cachedDict?=?new?Dictionary<int,?string>();}

剛才我也說到了，這是一個進程級的緩存，多個線程都看得見，所以在多線程的環境下，你需要特別注意同步的問題。要么使用鎖，要么使用 ConcurrentDictionary，我覺得這也是一個思維定式，很多時候思維總是在現有基礎上去修補，去亡羊補牢，而沒有跳出這個思維從根基上去處理，說這么多是什么意思呢？我舉一個例子：

在市面上常見的鏈式跟蹤框架中，比如說：Zikpin，SkyWalking，會使用一些集合去存儲跟蹤當前線程的一些鏈路信息，比如說 A -> B -> C -> D -> B -> A，常規的思維就像上面說的一樣，定義一個全局 cachedDict，然后使用各種同步機制，其實你也可以降低 cachedDict 的訪問作用域，將全局訪問改成 Thread級訪問，這難道不是更好的解決思路嗎？

2. 用 ThreadStatic 標記 static 變量

要想做到 Thread級作用域，實現起來非常簡單，在 cachedDict 上打一個 ThreadStatic 特性即可，修改代碼如下：

public?class?Test{[ThreadStatic]public?static?Dictionary<int,?string>?cachedDict?=?new?Dictionary<int,?string>();}

接下來可以開多個線程給 cachedDict 灌數據，看看 dict 是不是 Thread級作用域，實現代碼如下：

class?Program{static?void?Main(string[]?args){var?task1?=?Task.Run(()?=>{if?(Test.cachedDict?==?null)?Test.cachedDict?=?new?Dictionary<int,?string>();Test.cachedDict.Add(1,?"mary");Test.cachedDict.Add(2,?"john");Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}?的?dict?有記錄:?{Test.cachedDict.Count}");});var?task2?=?Task.Run(()?=>{if?(Test.cachedDict?==?null)?Test.cachedDict?=?new?Dictionary<int,?string>();Test.cachedDict.Add(3,?"python");Test.cachedDict.Add(4,?"jaskson");Test.cachedDict.Add(5,?"elen");Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}?的?dict?有記錄:?{Test.cachedDict.Count}");});Console.ReadLine();}}public?class?Test{[ThreadStatic]public?static?Dictionary<int,?string>?cachedDict?=?new?Dictionary<int,?string>();}

從結果來看，確實是一個 Thread 級，而且還避免了線程間同步開銷，哈哈????，這么神奇的東西，難怪有讀者想看看底層到底是怎么實現的。

三：用 Windbg 挖 ThreadStatic

1. 對 TEB 和 TLS 的認識

TEB (Thread Environment Block)

每一個線程都有一份屬于自己專屬的私有數據，這些數據就放在 Thread 的 TEB 中，如果你想看的話，可以在 windbg 中打印出來。

0:000>?!teb TEB?at?0000001e1cdd3000ExceptionList:????????0000000000000000StackBase:????????????0000001e1cf80000StackLimit:???????????0000001e1cf6e000SubSystemTib:?????????0000000000000000FiberData:????????????0000000000001e00ArbitraryUserPointer:?0000000000000000Self:?????????????????0000001e1cdd3000EnvironmentPointer:???0000000000000000ClientId:?????????????0000000000005980?.?0000000000005aa8RpcHandle:????????????0000000000000000Tls?Storage:??????????000001b599d06db0PEB?Address:??????????0000001e1cdd2000LastErrorValue:???????0LastStatusValue:??????c0000139Count?Owned?Locks:????0HardErrorMode:????????0

從 teb 的結構中可以看出，既有線程本地存儲(TLS)，也有異常相關信息的存儲 (ExceptionList) 等等相關信息。

TLS (Thread Local Storage)

進程會在啟動后給 TLS 分配總共 1088 個槽位，每個線程都會分配一個專屬的 tlsindex 索引，并且擁有一組 slots 槽位，可以用 windbg 去驗證一下。

0:000>?!tls Usage: tls?<slot>?[teb]slot:??-1?to?dump?all?allocated?slots{0-0n1088}?to?dump?specific?slotteb:???<empty>?for?current?thread0?for?all?threads?in?this?process<teb?address>?(not?threadid)?to?dump?for?specific?thread. 0:000>?!tls?-1 TLS?slots?on?thread:?5980.5aa8 0x0000?:?0000000000000000 0x0001?:?0000000000000000 0x0002?:?0000000000000000 0x0003?:?0000000000000000 0x0004?:?0000000000000000 ... 0x0019?:?0000000000000000 0x0040?:?00000000000000000:000>?!t????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????Lock??DBG???ID?OSID?ThreadOBJ???????????State?GC?Mode?????GC?Alloc?Context??????????????????Domain???????????Count?Apt?Exception0????1?5aa8?000001B599CEED90????2a020?Preemptive??000001B59B9042F8:000001B59B905358?000001b599cdb130?1?????MTA?5????2??90c?000001B599CF4930????2b220?Preemptive??0000000000000000:0000000000000000?000001b599cdb130?0?????MTA?(Finalizer)?7????3???74?000001B59B7272A0??102a220?Preemptive??0000000000000000:0000000000000000?000001b599cdb130?0?????MTA?(Threadpool?Worker)?9????4?2058?000001B59B7BAFF0??1029220?Preemptive??0000000000000000:0000000000000000?000001b599cdb130?0?????MTA?(Threadpool?Worker)?

從上面的 {0-0n1088} to dump specific slot 中可以看出，進程中總會有 1088 個槽位，而且當前主線程 5aa8 擁有 27 個 slot 槽位。

好了，基本概念介紹完了，接下來準備分析一下匯編代碼了。

2. 從匯編代碼中尋找答案

為了更好的用 windbg 去挖，我就定義一個簡單的 ThreadStatic int 變量，代碼如下：

class?Program{[ThreadStatic]public?static?int?i?=?0;static?void?Main(string[]?args){i?=?10;???//?12?linevar?num?=?i;Console.ReadLine();}}

接下來用 !U 反匯編一下 Main 函數的代碼，著重看一下第 12 行代碼的 i = 10;。

0:000>?!U?/d?00007ffbe0ae0ffb E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\Program.cs?@?12: 00007ffb`e0ae0fd6?48b9b0fbb7e0fb7f0000?mov?rcx,7FFBE0B7FBB0h 00007ffb`e0ae0fe0?ba01000000??????mov?????edx,1 00007ffb`e0ae0fe5?e89657a95f??????call????coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase?(00007ffc`40576780) 00007ffb`e0ae0fea?c7401c0a000000??mov?????dword?ptr?[rax+1Ch],0Ah

從匯編指令上來看，最后的 10 賦給了 rax+1Ch 的低32位，那 rax 的地址從哪里來的呢？可以看出核心邏輯在 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase 方法內，接下來就得研究一下這個方法都干嘛了。

3. 調試核心函數 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase

接下來在第 12 處設置一個斷點 !bpmd Program.cs:12 處，方法的簡化匯編代碼如下：

coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase: 00007ffc`2c38679a?448b0dd7894300?????????mov?????r9d,?dword?ptr?[coreclr!_tls_index?(00007ffc`2c7bf178)] 00007ffc`2c3867a1?654c8b042558000000?????mov?????r8,?qword?ptr?gs:[58h] 00007ffc`2c3867aa?b908000000?????????????mov?????ecx,?8 00007ffc`2c3867af?4f8b04c8???????????????mov?????r8,?qword?ptr?[r8+r9*8] 00007ffc`2c3867b3?4e8b0401???????????????mov?????r8,?qword?ptr?[rcx+r8] 00007ffc`2c3867b7?493b8060040000?????????cmp?????rax,?qword?ptr?[r8+460h] 00007ffc`2c3867be?732b???????????????????jae?????coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b?(00007ffc`2c3867eb) 00007ffc`2c3867c0?4d8b8058040000?????????mov?????r8,?qword?ptr?[r8+458h] 00007ffc`2c3867c7?498b04c0???????????????mov?????rax,?qword?ptr?[r8+rax*8] 00007ffc`2c3867cb?4885c0?????????????????test????rax,?rax 00007ffc`2c3867ce?741b???????????????????je??????coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b?(00007ffc`2c3867eb) 00007ffc`2c3867d0?8bca???????????????????mov?????ecx,?edx 00007ffc`2c3867d2?f644011801?????????????test????byte?ptr?[rcx+rax+18h],?1 00007ffc`2c3867d7?7412???????????????????je??????coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b?(00007ffc`2c3867eb) 00007ffc`2c3867d9?488b4c2420?????????????mov?????rcx,?qword?ptr?[rsp+20h] 00007ffc`2c3867de?4833cc?????????????????xor?????rcx,?rsp 00007ffc`2c3867e1?e89a170600?????????????call????coreclr!__security_check_cookie?(00007ffc`2c3e7f80) 00007ffc`2c3867e6?4883c438???????????????add?????rsp,?38h 00007ffc`2c3867ea?c3?????????????????????ret??

接下來我仔細分析下這里的 mov 操作。

1) dword ptr [coreclr!_tls_index (00007ffc`2c7bf178)]

這個很簡單，獲取該線程專屬的 tls_index 索引

2) qword ptr gs:[58h]

這里的 gs:[58h] 是什么意思呢？應該有朋友知道，gs寄存器是專門用于存放當前線程的 teb 地址，后面的 58 表示在 teb 地址上的偏移量，那問題來了，這個地址到底指向誰了呢？其實你可以把 teb 的數據結構給打印出來就明白了。

0:000>?dt?teb coreclr!TEB+0x000?NtTib????????????:?_NT_TIB+0x038?EnvironmentPointer?:?Ptr64?Void+0x040?ClientId?????????:?_CLIENT_ID+0x050?ActiveRpcHandle??:?Ptr64?Void+0x058?ThreadLocalStoragePointer?:?Ptr64?Void+0x060?ProcessEnvironmentBlock?:?Ptr64?_PEB...

上面這句 +0x058 ThreadLocalStoragePointer : Ptr64 Void 可以看出，其實就是指向 ThreadLocalStoragePointer 。

3) qword ptr [r8+r9*8]

有了前兩步的基礎，這句匯編就很簡單了，它做了一個索引操作: ThreadLocalStoragePointer[tls_index] ，對不對，從而獲取屬于該線程的 tls 內容，這個 ThreadStatic 的變量就會存放在這個數組的某一個內存塊中。

后續還有一些計算偏移的邏輯運算都基于這個 ?ThreadLocalStoragePointer[tls_index] 之上，方法調用繞來繞去，匯編沒法看哈 ????????????

四：總結

總的來說，可以確定 ThreadStatic 變量確實是存放在 TEB 的 ThreadLocalStoragePointer 數組中，這幾天 NET5 的 CoreCLR 沒有編譯成功，大家如果感興趣，可以調試 CoreCLR + 匯編做更深入的挖掘！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的被 C# 的 ThreadStatic 标记的静态变量，都存放在哪里了？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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